DE1563270C3 - Halbleiterstromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterstromrichter mit mehreren zu Gruppen zusammengefaßten Leitern.

Bei Halbleiterstromrichtern für größere Stromstärken, beispielsweise mehr als 100 A, tritt insbesondere bei Betriebsfrequenzen, die wesentlich über 50 Hz liegen, eine Reihe von Problemen durch die Auswirkung der magnetischen Wechselfelder auf. Zum Beispiel wird durch den induktiven Spannungsabfall in den Leitungen, die zur Verteilung des Stromes auf die einzelnen Halbleiterventile dienen, die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung gestört. Hierdurch muß die Belastung des Stromrichters so weit reduziert werden, daß das am stärksten belastete Halbleiterventil keine Überlastung erfährt. Ein anderer unerwünschter Effekt der magnetischen Wechselfelder besteht in der Erzeugung von Wirbelströmen innerhalb der Stromleiter selbst. Die sich hieraus ergebende Stromverdrängung erhöht den ohmschen Widerstand, was ebenfalls zu einer Verschlechterung der Stromverteilung auf die parallelen Halbleiterventile führt und außerdem in den Stromleitern unerwünschte Verluste hervorruft, der wiederum zu erhöhten Temperaturen führen. Als weiterer unerwünschter Effekt soll hier noch die induktive Erwärmung von Metallteilen, die sich im Bereich der magnetischen Wechselfelder befinden, erwähnt werden. Aus der deutschen Auslegeschrift 10 82 675 ist eine Stromrichteranlage mit aus einem oder mehreren in Reihe geschalteten Halbleiterelementen bestehenden Ventilen bekannt, bei der je Ventilanordnung zwischen deren Anschlußpunkten mindestens drei parallele Leitungszweige mit Halbleiterelementen vorhanden sind. Um bei einer derartigen Anordnung mit Halbleiterventilen in parallelen Leitungszweigen eine gleichmäßig anteilige Aufteilung des über die Ventilanordnung fließenden Gesamtstromes auf die parallelgeschalteten Zweige unter Berücksichtigung der Stromverdrängung bei pulsierenden Strömen zu erzielen, ist der einzelne parallele Leitungszweig zur Kompensierung des von ihm entwickelten magnetischen Feldes im wesentlichen U- oder V-förmig gestaltet und erstreckt isch entweder unmittelbar zwischen den gemeinsamen Anschlußpunkten der Ventilanordnung oder zwischen mit diesen Anschlußpunkten verbundenen Sammelschienen. Die parallelliegenden Sammelschienen können dabei sowohl von gleichsinnig als auch von gegensinnig verlaufenden Strömen durchflossen sein.

Aus der deutschen Patentschrift 10 73 609 ist ebenfalls eine Stromrichteranlage mit mehreren parallelgeschalteten, elektrische Ventile enthaltenden Zweigen bekannt, bei der die parallelen Zweige so zwischen zwei Sammelschienen geschaltet sind, daß

sie paarweise einander räumlich benachbart liegen und in entgegengesetzter Richtung von ihrem Ventilstrom durchflossen sind. Bei dieser Anordnung wird ebenfalls angestrebt, in den parallelen Zweigen antei-

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Hg an dem gesamten über die Ventilanordnung flie- Thyristoren S₁ bis 5„ die gleiche Weglänge haben,

ßenden Strom, auch unter Berücksichtigung der um eine möglichst günstige Stromaufteilung zu errei-

durch pulsierende Gleichströme hervorgerufenen chen.

Stromverdrängung, gleiche Ströme fließen zu lassen. Der Strom in der Sammelschiene 1 entspricht

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen 5 oberhalb der Anschlußstelle des Thyristors S₁ dem

Halbleiterstromrichter mit mehreren zu Gruppen zu- vollen Strom des Stromrichterzweiges und nimmt

sammengefaßten Leitern derart zu gestalten, daß das nach unten stufenweise von Thyristor zu Thyristor

Entstehen von magnetischen Wechselfeldern weitge- ab. Er erreicht am Anschlußpunkt des Thyristors 5„

hend verhindert wird. den Wert Null. Im gleichen Maße wie der Strom in

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ίο der Sammelschiene 1 abnimmt, wird der Strom in der löst, daß jeweils mindestens drei der Stromverteilung, Sammelschiene 2 erhöht. Die Summe der Ströme in der Stromzu- und der Stromabfuhr dienende elektri- den beiden Sammelschienen 1 und 2 entspricht in jesche Leiter des Stromrichters parallel geführt und in dem Zeitaugenblick und in jedem Querschnitt durch Gruppen oder Schienenpaketen zusammengefaßt das Schienenpaket dem Strom des gesamten Stromsind, derart, daß jeweils elektrische Leiter in solcher 15 richterzweiges. Das gleiche gilt für die Verbindungs-Auswahl und in solcher Anzahl zu einer Gruppe leitung 3 und die Schiene 4. Da die Richtung des oder einem Schienenpaket zusammengefaßt sind, daß Stromes in der Schiene 4 der Richtung der Ströme in die Summe der Strommomentan werte innerhalb einer den Schienen 1 und 2 entgegengesetzt ist, ist in jedem Gruppe oder eines Paketes in jedem Querschnitt der Querschnitt durch das Schienenpaket die Summe al-Gruppe oder des Paketes annähernd keine zeitliche 20 ler Ströme Null. Ein magnetisches Feld wird somit Änderung erfährt. außerhalb des Leiterpaketes nicht erzeugt. Diese

Durch die Zusammenfassung aller stromführenden Feststellung gilt jedoch streng genommen nur bei Teile des !Halbleiterstromrichters, soweit dies kon- einem koaxialen Aufbau der elektrischen Leiter 1,2, struktiv mit Rücksicht auf die Anschlußstellen mög- 4. Eine starke Annäherung in elektrotechnischer lieh ist, in Gruppen bzw. Paketen, derart, daß die 25 Sicht an den aufwendigen koaxialen Aufbau wird Summe der Momentanwerte aller Ströme innerhalb durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Leitereines Paketes in jedem Querschnitt durch dasselbe bzw. Schienenpakets nach F i g. 2 erreicht, entweder in jedem Zeitaugenblick Null ist oder zu- Fig.2 zeigt einen Schnitt durch ein derartiges mindest keine wesentliche zeitliche Änderung er- Leiterpaket, wobei hier die Leiter als Schienen ausfährt, wird das Entstehen von magnetischen Wech- 30 gebildet sind; es können beispielsweise auch Kabel selfeldern weitgehend verhindert und somit eine verwendet werden. Die Sammelschienen 1 und 2 gleichmäßige Stromverteilung erzielt. können, wie hier ausgeführt, U-förmig ausgebildet

Zweckmäßig werden die elektrischen Leiter so werden, um für das gesamte Paket eine ausreichende ausgebildet und einander innerhalb des Pakets zu- mechanische Stabilität zu erreichen. Außerdem wird geordnet, daß sie möglichst große Flächen an den 35 durch die U-förmige Ausbildung der Anschluß der einander zugewandten Seiten aufweisen, wobei der Thyristoren und der je nach Bedarf zugeordneten Abstand zwischen den Leitern möglichst klein gehal- Sicherungen, Induktivitäten und sonstigen Bauteile ten ist und durch eine möglichst dünne Isolation be- erleichtert. Ein weiterer Vorteil ist die Vergrößerung stimmt wird, beispielsweise durch eine Isolierfolie. der Schienenoberfläche und damit Verbesserung der Auf diese Weise wird eine Anordnung eines Leiter- 40 Kühlung. Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung pakets in zumindest elektrotechnischer Sicht in star- der Kühlung besteht darin, die Schienen als Hohlproker Annäherung an eine koaxiale Anordnung er- file auszubilden oder mit Hohlprofilen in einen guten reicht. Die koaxiale Anordnung der Leiter verhindert thermischen Kontakt zu bringen — was beispielsjeden Austritt magnetischer Felder aus einem Leiter- weise durch eine Lötverbindung möglich ist — wobei paket in idealer Weise. Sie ist jedoch recht aufwendig 45 die Hohlprofile von einer Kühlflüssigkeit durch- und wird durch den Erfindungsgegenstand in einfa- strömt werden. Die Ausbildung magnetischer Felder eher Weise mit geringem Aufwand annähernd er- zwischen den Schienen wird durch sehr geringe Abreicht, stände 6 der Schienen untereinander, also möglichst

Weitere Merkmale der Erfindung, die den Gegen- kleine Querschnitte für den magnetischen Fluß, bestand von Unteransprüchen bilden, sowie die Erfin- s° grenzt. Zur Isolation kann beispielsweise eine Isolierdung selbst sind an Hand einer Zeichnung mit den folie dienen. Die Schienenbreite 7 wird möglichst Fig. 1 bis3 erläutert. groß gewählt, um den Weg für den magnetischen

F i g. 1 und 2 zeigen den perspektivischen Aufbau Fluß möglichst lang und damit den magnetischen

eines Leiterpaketes und einen Schnitt durch ein der- Widerstand möglichst groß zu machen. Die Dicken 8

artiges Paket. In 55 und 9 der Schienen werden in Anlehnung an die fre-

F i g. 3 ist die Anwendung des Erfindungsgedan- quenzabhängige Eindringtiefe des Stromes bemessen, kens bei einem Wechselrichter dargestellt. F i g. 3 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedan-

In F i g. 1 ist das Aufbauprinzip eines Leiterpake- kens beim Wechselrichter eines Drehstrom-Wechsel-

tes an Hand eines Stromrichterzweiges perspektivisch strom-Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis. Der

dargestellt. Dieser Stromrichterzweig besteht aus der 60 Gleichrichter 11 formt Drehstrom in Gleichstrom

Parallelschaltung von Thyristoren S₁ bis 5„. Er ver- um. Der Kondensator 12 dient zur Stützung der

bindet beispielsweise die Phase R eines Drehstrom- Gleichspannung. Die Induktivität 13, de* Widerstand

netzes mit dem Pluspol eines Gleichstromnetzes. Der 14 und das Ignitron 15 sind Schutz- und Glättungs-

Strom i fließt von R in die Sammelschiene 1 über die einrichtungen. Über die Kommutierungsdrosseln 2ö Thyristoren S₁ bis S_n in die Sammelschiene 2, von 65 wird die Gleichstromenergie den vier Wechsel-

dort über die Verbindungsleitung 3 in die Schiene 4 richterzweigen 16, 17, 18 und 19 einer Einphasen-

zum Pluspol. Die Sammelschienen 1 und 2 sind so brückenschaltung zugeführt. Der Wechselrichter hat

angeschlossen, daß sämtliche Teilströme durch die die Aufgabe, Einphasenwechselstrom mit einer Fre-

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quenz, die wesentlich über 50 Hz liegt, zu erzeugen. Summe sämtlicher Ströme im Schienenpaket 21 in je-

Um eine räumliche Trennung zwischen Ein- und dem Zeitaugenblick gleich Null, also zwangsläufig

Ausgang des Wechselrichters zu erreichen, wird in auch die Summe der zeitlichen Änderungen,

dem dargestellten Beispiel durch die mittleren Schie- Das Schienenpaket 24 enthält vier Diodenzweige,

nen der Pakete 16 bis 19 nicht der Summenstrom der 5 Es handelt sich hier um sogenannte Blindstromdio-

zugehörigen Halbleiterventile geführt, sondern der den, die ebenfalls als Einphasenbrücke geschaltet

Strom des in der Einphasenbrückenschaltung diago- sind. Der Strom im Pluspol muß auch hier in jedem

nal gegenüberliegenden Zweiges. Dieser Strom ist in Zeitaugenblick ebenso groß sein wie der Strom im

bezug auf die Momentanwerte mit dem Summen- Minuspol. Damit sind auch hier die Ströme in den

strom der Halbleiterventile des betrachteten Zweiges 10 Schienen 22 und 23 in jedem Zeitaugenblick Null,

identisch. Der Erfindungsgedanke, daß die Summe Nach dem Kirchhoffschen Gesetz muß dann auch

der zeitlichen Änderungen der Momentanwerte der in den Verbindungsleitungen vom Schienenpaket 21

Ströme in einem Schienenpaket in jedem Zeitaugen- zum Schienenpaket 24, im Schienenpaket 24 selbst

bliok Null sein muß, ist somit ebenfalls erfüllt, da die und in den Ableitungen aus dem Schienenpaket 24

Summe der Momentanwerte der Ströme in jedem 15 nach oben in jedem Zeitaugenblick die Summe der

Zeitaugenblick Null ist. Ströme gleich Null sein.

Das Schienenpaket 21 enthält eine Parallelschal- Somit ist für die sechs Schienenpakete des Wechtung von mehreren Halbleiterdioden, die parallel zur selrichters und, wie sich leicht überprüfen läßt, auch Induktivität 13 geschaltet ist. Die beiden äußeren für sämtliche Verbindungsleitungen der Erfindungs-Schienen entsprechen in ihrer Funktion den Schie- ao gedanke verwirklicht.

nenl und2 in Fig. 1. Die mittlere Schiene ent- Die Ausbildung von magnetischen Wechselfeldern

spricht der Schiene 4 in F i g. 1. Die Schienen 22 und wird also durch die Anwendung nach der Erfindung

23 dienen nur als Zuleitung zum Schienenpaket 24. weitgehend verhindert. Der unerwünschte induktive

Die Momentanwerte der Ströme in den Schienen 22 Spannungsabfall in den einzelnen Stromleitungen ist

und 23 sind in jedem Zeitaugenblick gleich groß; die 25 somit minimal. Hierdurch wird eine wesentliche Ver-

Stromrichtungen sind jedoch entgegengesetzt. Im besserung der Stromverteilung auf die parallelen

Schienenpaket 21 ist somit einerseits die Summe der Halbleiterzellen erreicht. Außerdem werden uner-

Ströme in den Schienen 1, 2 und 4 und andererseits wünschte Erwärmungen benachbarter Bauelemente,

die Summe der Ströme in den Schienen 22 und 23 in beispielsweise des den Stromrichter umgebenden

jedem Zeitaugenblick gleich Null. Damit ist auch die 30 Schrankgestells, vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiterstromrichter mit mehreren zu Gruppen zusammengefaßten Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens drei der Stromverteilung, der Stromzu- und der Stromabfuhr dienende elektrische Leiter des Stromrichters parallel geführt und in Gruppen oder Schienenpaketen zusammengefaßt sind, derart, daß jeweils elektrische Leiter in solcher Auswahl und in solcher Anzahl zu einer Gruppe oder einem Schienenpaket zusammengefaßt sind, daß die Summe der Strommomentanwerte innerhalb einer Gruppe oder eines Paketes in jedem Querschnitt der Gruppe oder des Paketes annähernd keine zeitliche Änderung erfährt.

2. Halbleiterstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Stromverteilung auf parallelgeschaltete Halbleiterventile (S₁ bis S_n) dienenden Sammelschienen (1, 2) eines Stromrichterzweiges mit einer den Gesamtstrom dieses Stromrichterzweiges führenden Stromschiene (4) zu einem Schienenpaket zusammengefaßt sind und daß diese Stromschiene (4) in der Weise mit einer der beiden Sammelschienen (1, 2) elektrisch verbunden ist, daß sie in entgegengesetzter Richtung wie die beiden Sammelschienen (1, 2) stromdurchflossen ist (F i g. 1).

3. Halbleiterstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Stromverteilung auf parallelgeschaltete Halbleiterventile dienenden Sammelschienen eines Stromrichterzweiges mit einer Stromschiene, die in entgegengesetzter Richtung wie die beiden Sammelschienen stromdurchflossen ist und den Gesamtstrom eines anderen, den eigenen Stromrichterzweig entsprechenden Stromrichterzweiges führt, zu einem Schienenpaket (16, 17, 18, 19) zusammengefaßt sind (F i g. 3).

4. Halbleiterstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Stromverteilung auf parallelgeschaltete Halbleiterventile dienenden Sammelschienen (1, 2) mit einer den Gesamtstrom dieser Sammelschienen führenden, in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossenen Stromschiene (4) und mit weiteren Stromschienen (22, 23), die jeweils gleich große, jedoch entgegengesetzt fließende Ströme führen, zu einem Schienenpaket (21) zusammengefaßt sind (Fig.3).

5. Halbleiterstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom- und die Wechselstromsammelschienen einer Stromrichterbrückenschaltung zu einem Schienenpaket (24) zusammengefaßt sind (F i g. 3).

6. Halbleiterstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Stromschienen ausgebildeten elektrischen Leiter unmittelbar aneinanderliegen und elektrisch lediglich durch eine dünne Isolationsschicht, beispielsweise eine Isolierfolie, voneinander getrennt sind (F i g. 2).

7. Halbleiterstromrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegenden elektrischen Leiter eines Schienenpaketes U-förmige Profile haben (F i g. 2).

8. Halbleiterstromrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der elektrischen Leiter in Abhängigkeit von der frequenzabhängigen Eindringtiefe des Stromes gewählt ist.